Condições de contato da ferramenta

A seguir serão analisadas as condições de contato do topo da ferramenta de corte com o material da peça, bem como as influências das grandezas geométricas de cada ferramenta e dos parâmetros de corte em relação à vida da ferramenta, ao acabamento superficial e ao desvio de forma.

escoar. Em dependência da geometria da cunha de corte, o material deformado passa a formar um cavaco que desliza sobre a face [108].

Em todos os processos de usinagem, as características do processo, como formação e saída de cavaco, força de corte, desgaste e acabamento da superfície usinada, são influenciadas consideravelmente pela geometria da ferramenta. Em decorrência disso, a geometria da ferramenta deve ser adaptada ao material da peça, ao material da ferramenta e as condições específicas da máquina-ferramenta [109].

No acabamento, a seleção dos parâmetros de corte, das condições de contato e do diâmetro da ferramenta deve alcançar a qualidade superficial e de forma requeridas pelo projeto [110].

As superfícies acabadas dos componentes de turbinas a gás, especialmente superfícies complexas (free form surfaces), tais como impelidores, superfícies cônicas e esféricas, são acabadas com ferramentas de topos arredondados. Essas geometrias de topo das ferramentas produzem superfícies onduladas, que são diretamente dependentes das condições de contato adotadas [111][47][49].

Em ZANDER (1995) e WARKETIN et. al. (1994) apresentaram técnicas em 5 eixos para a usinagem de superfícies complexas com fresas de topo toroidal, reduzindo a altura das cristas produzidas pelo processo[110].

No fresamento em 3 eixos, as linhas de fresamento acompanham o contorno da peça. A ferramenta de corte estabelece um movimento com diferentes condições de engajamento e com linhas de fresamento paralelas até a obtenção da medida desejada, o que significa uma modificação constante dos esforços de corte sobre a ferramenta [110].

No fresamento em 5 eixos, a ferramenta de corte estabelece uma condição de contato, consequentemente mantém também constante o esforço que atua sobre a ferramenta. Além disso, existe a possibilidade de se trabalhar com ferramentas com a relação L/D (altura da ferramenta/diâmetro da ferramenta) menor [107]. Essa relação geométrica é conhecida como índice de esbeltez de elemento estrutural (ferramenta de corte). Esta relação representa a medida da flexibilidade de um elemento estrutural [112].

Para se avaliar o erro de forma no fresamento é necessário estudar o desvio da haste da ferramenta. Este desvio é modelado considerando a ferramenta de corte engastada no fuso (Figura 2.28) [110].

)

( x

d

x

Figura 2.28: Ferramenta de corte admitida como uma viga engastada.

A ferramenta também se desloca por vibração da haste. As possíveis causas de vibração são as condições da máquina-ferramenta, a forma da peça, a fixação da peça na máquina- ferramenta, a fixação da ferramenta no porta ferramenta e a afiação da ferramenta de corte [113].

Figura 2.29: Ferramenta de corte e seus modos de vibração.

Segundo ZANDER (1995) a influência da geometria de uma ferramenta de corte sobre a qualidade superficial na direção transversal ao avanço, pode-se demonstrar pela variação da rugosidade teórica (Rth) (Figura 2.30) [110].

Figura 2.30: Rugosidade teórica (Rth) na direção transversal ao avanço [110].

Ainda, segundo ZANDER (1995) com o aumento da profundidade de corte radial (ae) e

do ângulo de inclinação entre a haste e a normal da superfície (β), as fresas de topo toroidal e reto apresentam um comportamento semelhante em relação ao aumento da rugosidade teórica (Rth). O mesmo resultado não ocorre para a fresa de topo esférico [110].

Devido à característica geométrica do topo esférico da fresa, o ângulo de inclinação entre a haste e a normal da superfície (β) não influencia na rugosidade teórica (Rth). Todavia,

a influência da profundidade de corte radial (ae) é muito maior, comparada às fresas de topo

reto e toroidal [110][114].

Pode-se também demonstrar a influência da geometria das ferramentas de corte sobre a qualidade superficial, na direção longitudinal ao avanço, em função da rugosidade teórica (Rth) (Figura 2.31) [110].

Figura 2.31: Rugosidade teórica (Rth) na direção longitudinal ao avanço [107].

As geometrias circulares dos gumes das fresas de topo esférico e toroidal provocam um perfil em formato de ondas. Este perfil não sofre influência do ângulo de inclinação entre a haste e a normal da superfície (β) [110].

Para todos os tipos de topo de ferramentas, na direção longitudinal ao avanço, a rugosidade teórica (Rth) aumenta proporcionalmente ao avanço por dente (fz). Entretanto, para

ferramentas de topo esférico e toroidal, a influência do avanço por dente (fz) é menos sensível,

devido ao elevado valor do raio de quina rε [110].

Para fresas de topo reto, com o ângulo de inclinação entre a haste e a normal da superfície (β), produz-se um perfil em formato de dente de serra. O máximo valor de rugosidade teórica (Rth) é obtido para β=45°. Com a variação do avanço por dente (fz),

Desse modo, devido à independência do ângulo de inclinação entre a haste e a normal da superfície (β) e da pequena relação com o avanço por dente (fz), as ferramentas de topo

esférico são mais adequadas para o acabamento em três eixos de superfícies complexas. A profundidade de corte radial (ae) exerce uma influência significativa na formação da

altura das cristas. Entretanto, em operações com altas velocidades de corte (HSC) é possível o emprego de pequenas profundidades de corte radiais (ae), com altas velocidades de avanço,

sem prejuízo do tempo de fabricação [110] [114].

Segundo GOMES (2001), a influência do ângulo de inclinação entre a superfície e a ferramenta, para ferramentas de topo esféricas, sobre rugosidade real é pequena. Entretanto, a rugosidade real é prejudicada para ângulos de inclinação menores do que 15º, pois a remoção de cavaco da região de corte é difícil e velocidade de corte na região tende a zero, provocando esmagamento de material na zona de corte e para ângulos maiores do que 75º, devido à elevada deflexão da haste da ferramenta [110].

Figura 2.32: Comportamento da rugosidade real [110](GOMES, 2001).

A Tabela 2.2 mostra o corte discordante e concordante. No corte discordante, a espessura do cavaco é inicialmente é zero e aumenta na direção de revolução da ferramenta até uma espessura máxima. Nesse caso, a direção de revolução da ferramenta e a direção de

Forma do corte

Vida da ferramenta Curta Longa

Rigidez da máquina- ferramenta

O corte discordante é indicado para máquinas-ferramenta antigas e já com folgas.

A maquina ferramenta deve ter alta rigidez e não ter folgas.

Teórico ⎟⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ₊ ⋅ = π z f D f R z z th 8 8 2 Superior comparado ao fresamento concordante ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ₋ ⋅ = π z f D f R z z th 8 8 2

Inferior comparado ao fresamento discordante

Acabamento

Superficial

Real

Excelente na usinagem com fluido de corte e maquina ferramenta com pouca rigidez e folgas

Excelente em usinagem sem fluido refrigerante e quando a maquina tem boa rigidez e não tem folgas

Forma de cavaco

Cavaco é difícil de enrolar. Adesão de cavaco ocorre facilmente

Cavacos enrolam e são quebrados em pequenos pedaços

Esforços de corte

Grande força de avanço, pequena força passiva pequena e força de corte relativamente grande.

Pequena força de avanço, grande força passiva e força de corte relativamente pequena.

No corte concordante, a espessura do cavaco é inicialmente a máxima espessura de cavaco e decresce na direção de revolução da ferramenta. Nessa situação, a direção de corte e a direção de avanço da ferramenta são contrárias, no caso de uma máquina-ferramenta sem movimentação de translação na mesa [113].

Figura 2.33: Características geométricas no fresamento 5-eixos.

As características de contato num ponto qualquer para fresas de topo esférico são regidas pelas variáveis mostradas na Figura 2.33. Elas são a quantidade de sobremetal, a profundidade de corte radial (ae), a curvatura da superfície e a inclinação da ferramenta

3.1 Materiais de ensaio

Para componentes utilizados em turbinas a gás existe uma variedade de materiais a serem considerados, em virtude dos diferentes níveis de solicitação mecânica e térmica. Os materiais podem ser desde uma simples liga de alumínio até ligas especiais de níquel utilizadas em situações, onde os componentes são submetidos a altos níveis de tensão e temperatura.

Tabela 3.1: Liga de alumínio da classe 7000 propriedades mecânicas e composição química[115].

Propriedades Mecânicas

Especificação AA 7475-T61

Dureza Brinell (HB) 148 HB Tensão de Ruptura (σu) 565 MPa Tensão de Escoamento (σu) 490 MPa Modulo de Elasticidade (E) 70,3 GPa Coeficiente de Poisson (ν) 0,33 Modulo de Cisalhamento (G) 27 GPa

Densidade (ρ) 2,81 g/cc

Composição Química em Percentual

Al 88,5-91,5% Ti 0,06%

Cr 0,18-0,25% Zn 5,2-6,2%

Cu 1,2-1,9% Fe Máx. 0,12%

Mg 0,06% Mn 0,1%

A Tabela 3.1mostra algumas propriedades mecânicas e a composição química da liga de alumínio utilizada nos testes.

Devido à relativa facilidade de obtenção e aos objetivos do trabalho não estarem relacionados à usinabilidade de um material em especifico a liga de alumínio AA 7475-T6 foi escolhida.

3.2 Máquina-ferramenta

Utilizou-se como máquina-ferramenta para os ensaios, um centro de usinagem HSC 5- eixos Hermle C600U. A Figura 3.1 mostra a maquina-ferramenta utilizada nos ensaios desse trabalho.

Figura 3.1: Máquina-ferramenta utilizada nos ensaios.

As especificações da máquina-ferramenta são as seguintes: Eixos: X (606 mm)

Y (450 mm) Z (450 mm) A (-110º< α<110º) C (0º<θ<360º);

Utilizou-se para os ensaios ferramentas inteiriças de metal duro. Estas ferramentas foram montadas em suporte CoroGrip HSK 63. Tanto as ferramentas quanto os suportes são do fabricante SANDVIK. As ferramentas utilizadas são especificadas na Tabela 3.2.

Tabela 3.2: Ferramentas utilizadas na fabricação do componente (116).

Operação Desbaste Acabamento

Código do fabricante R216.24-16030EAI16G R216.42-12030-AK22G

Classe de metal duro 1610 1010

Tipo de Fresa Topo Reto Topo Esférico

Número de facas 4 2

Diâmetro Dc (mm) 16 12

Ângulo de hélice 30º 30º

Raio de canto rε (mm) 2 6

Tipo de haste Cilíndrica Cilíndrica

Comprimento da haste l2(mm) 92 83

Ângulo de Saída 3º 10º30´

Ângulo de incidência 9º 12º

3.4 Software CAD/CAM

Para programação das estratégias estudadas, bem como de todo o estudo das geometrias geradas para o fresamento utilizou-se a plataforma UG NX3 da empresa UGS Corp. Para modelagem e avaliação das geometrias foram utilizados os módulos de modelagem de superfícies e sólidos (Modeling e Shape Studio) [117]. Para programação CAM foi utilizado o módulo NX CAM. Finalmente, para criação de modelo para simulação da máquina- ferramenta estudada foram utilizados os módulos ISV (Integrated Simulation and Verification) [118] do mesmo pacote NX3 e o software PostBuilder. A Figura 3.2 ilustra os módulos utilizados no trabalho.

Material do apalpador: Diamante; Raio da ponta do apalpador: 5µm; Força de medição: 4mN.

Figura 3.3: Rugosímetro utilizado nas medições de rugosidade das superfícies.

A fim de coletar pontos nas superfícies estudadas, a peça foi medida num sistema de inspeção para coleta desses pontos e compara-los ao modelo CAD existente. Esse sistema utiliza um braço articulado com 6 graus de liberdade e apalpador (probe) de natureza mecânica com as seguintes especificações:

Fabricante: CIMCORE Modelo: 3000i Series

Comprimento do Braço: 1,8m Volume de trabalho: 3m3

Peso: 5,4 kg

Configuração dos eixos: 6 eixos (2-2-2) Precisão: 0,005mm

A Figura 3.4 mostra o braço sendo utilizado para coleta de pontos na atividade de medição do componente estudado.

Figura 3.4: Equipamento utilizado para medição de peça.